CN114115133A - 一种基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控系统及方法，其包括有主MCU、从MCU1和从MCU2，所述主MCU、所述从MCU1和所述从MCU2集成于同一PCB板上，所述主MCU通过SPI接口方式分别与所述从MCU1和所述从MCU2建立通信，所述主MCU用于通过SPI接口分别向所述从MCU1和所述从MCU2发送控制报文，所述从MCU1和所述从MCU2分别用于通过SPI接口向所述主MCU发送状态报文。本发明可实现内部高速通信，可提高响应性能，有助于减小硬件体积以及节省成本。
Description
技术领域
本发明涉及多轴伺服电机驱动控制系统，尤其涉及一种基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控系统及方法。
背景技术
当前，随着人口红利的消退和工业自动化的高速发展，各个领域对于自动化设备的需求量越来越多，大部分的重复型工作都可以交给自动化设备来完成。随着自动化技术应用的普及，人们对于自动化控制系统的要求也越来越多，自动化设备也逐渐向着小型化、智能化的方向发展。现有技术中，多轴伺服控制系统一般都利用CANopen总线或者EtherCAT等高速总线进行整个系统部署，此类使用总线通信方式部署的控制系统，很容易受到外部干扰导致通信错误率升高，进而影响控制精度，所以对于线缆和电气接线都有比较高的要求。同时，由于现有系统都是由通用设备搭配而成的，所以系统的集成性差、体积大、不方便部署，而且实施成本也较高。对于使用高速总线的系统，受限于主站的实时性，只能把位置环的控制周期设计为250us，很难再进一步提高响应性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种可实现内部高速通信，可提高响应性能，有助于减小硬件体积以及节省成本的基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控系统，其包括有主MCU、从MCU1和从MCU2，所述主MCU、所述从MCU1和所述从MCU2集成于同一PCB板上，所述主MCU通过SPI接口方式分别与所述从MCU1和所述从MCU2建立通信，所述主MCU用于通过SPI接口分别向所述从MCU1和所述从MCU2发送控制报文，所述从MCU1和所述从MCU2分别用于通过SPI接口向所述主MCU发送状态报文。
优选地，所述主MCU连接于示教器，且所述主MCU与所述示教器之间通过RS485接口建立通信。
优选地，所述主MCU的两个输出引脚分别连接于所述从MCU1和所述从MCU2的中断引脚，所述主MCU用于分别向所述从MCU1和所述从MCU2的中断引脚发送上升沿跳变中断信号。
一种基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控方法，该方法基于一系统实现，所述系统包括有主MCU、从MCU1和从MCU2，所述主MCU、所述从MCU1和所述从MCU2集成于同一PCB板上，所述主MCU通过SPI接口方式分别与所述从MCU1和所述从MCU2建立通信，所述方法包括：所述主MCU用于通过SPI接口分别向所述从MCU1和所述从MCU2发送控制报文，所述从MCU1和所述从MCU2分别用于通过SPI接口向所述主MCU发送状态报文。
优选地，所述控制报文的数据格式包括：插补位置位、命令数据位、使能位、清除报警位、命令字位、命令轴选择位、预留位和CRC位，所述状态报文的数据格式包括：反馈位置位、命令数据位、轴状态位、报警号位、位置缓存区个数位、命令字位、命令轴选择位和CRC位。
优选地，所述主MCU的两个输出引脚分别连接于所述从MCU1和所述从MCU2的中断引脚，所述主MCU用于分别向所述从MCU1和所述从MCU2的中断引脚发送上升沿跳变中断触发信号。
优选地，所述主MCU发送控制报文的过程包括：步骤S10，所述主MCU间隔62.5us产生定时中断触发；步骤S11，所述主MCU分别接收所述从MCU1和所述从MCU2发出的上一次数据；步骤S12，所述主MCU对其接收的数据进行校验，并在校验通过后处理所述从MCU1和所述从MCU2发出的上一次数据；步骤S13，所述主MCU运算得出五个轴的下一周期位置数据，并以所述控制报文的形式发送至所述从MCU1和所述从MCU2。
优选地，所述从MCU1和所述从MCU2分别作为从站向所述主MCU发送状态报文的过程包括：步骤S20，所述从站间隔62.5us产生定时中断触发；步骤S21，所述从站接收所述主MCU发出的上一次数据；步骤S22，所述从站对其接收的数据进行校验，并在校验通过后，根据命令字生成状态报文并反馈回所述主MCU；步骤S23，所述从站对其负责的轴进行位置控制。
优选地，所述主MCU执行的定时周期同步步骤包括：步骤S30，所述主MCU间隔62.5us产生定时中断触发；步骤S31，所述主MCU的定时器清零；步骤S32，所述主MCU分别向所述从MCU1和所述从MCU2发送低电平SYCN同步信号；步骤S33，所述主MCU处理伺服电机三环数据，同时启动定时器进行计时；步骤S34，所述主MCU将控制报文发送至所述从MCU1和所述从MCU2；步骤S35，所述主MCU对其负责的伺服电机进行控制；步骤S36，所述主MCU将SYCN同步信号置为高电平。
优选地，所述从MCU1和所述从MCU2执行的定时周期同步步骤包括：线程一，当所述从MCU1和所述从MCU2接收到SYCN同步信号时，记录当前62.5us定时器的触发时间，当所述从MCU1和所述从MCU2与所述主MCU的计时偏差大于2us时，生成重新初始化定时器标识；线程二，当所述从MCU1和所述从MCU2由62.5us定时器中断触发，则执行如下步骤：步骤S40，定时器清零；步骤S41，接收上次从主MCU发送过来的数据，并向主MCU获取三环控制处理开始时间；步骤S42，计算定时器时间与所述三环控制处理开始时间的时间差值；步骤S43，按照所述时间差值进行延时；步骤S44，开始进行三环数据处理；步骤S45，当所述线程一中生成重新初始化定时器标识时，按照所述计时偏差进行延时，之后重新初始化定时器。
本发明公开的基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控系统中，利用一个主MCU和两个从MCU组成一套五轴伺服驱动控制系统，该系统内部的主从MCU之间使用SPI接口实现高速通信，由于主从MCU都是部署在一张PCB板中，所以不容易受到外部干扰，在此基础上，本发明还可采用共母线的方案，有效节省了整套控制系统的体积和成本。此外，本发明基于内部高速通信以及主从MCU的实时性特点，使得伺服的三个环路控制都可以同步到62.5us，极大地提高了控制系统的响应性能，较好地满足了应用需求。
附图说明
图1为本发明多芯片五轴伺服驱控系统的组成框图；
图2为主MCU的通信流程图；
图3为从MCU的通信流程图；
图4为从MCU同步主MCU定时周期时的主MCU流程图；
图5为从MCU同步主MCU定时周期时的从MCU流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控系统，请参见图1，其包括有主MCU、从MCU1和从MCU2，所述主MCU、所述从MCU1和所述从MCU2集成于同一PCB板上，所述主MCU通过SPI接口方式分别与所述从MCU1和所述从MCU2建立通信，所述主MCU用于通过SPI接口分别向所述从MCU1和所述从MCU2发送控制报文，所述从MCU1和所述从MCU2分别用于通过SPI接口向所述主MCU发送状态报文。
上述系统中，利用一个主MCU和两个从MCU组成一套五轴伺服驱动控制系统，该系统内部的主从MCU之间使用SPI接口实现高速通信，由于主从MCU都是部署在一张PCB板中，所以不容易受到外部干扰，在此基础上，本发明还可采用共母线的方案，有效节省了整套控制系统的体积和成本。此外，本发明基于内部高速通信以及主从MCU的实时性特点，使得伺服的三个环路控制都可以同步到62.5us，极大地提高了控制系统的响应性能，较好地满足了应用需求。
为了实现人机交互，本实施例中，所述主MCU连接于示教器，且所述主MCU与所述示教器之间通过RS485接口建立通信。
本实施例中，主MCU有2路主SPI接口，分别与2个从MCU的从SPI接口进行高速通信，通信速率为30Mb。
作为一种优选方式，所述主MCU的两个输出引脚分别连接于所述从MCU1和所述从MCU2的中断引脚，所述主MCU用于分别向所述从MCU1和所述从MCU2的中断引脚发送上升沿跳变中断信号。
为了更好地描述本发明的技术方案，本发明还公开了一种基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控方法，请参见图1，该方法基于一系统实现，所述系统包括有主MCU、从MCU1和从MCU2，所述主MCU、所述从MCU1和所述从MCU2集成于同一PCB板上，所述主MCU通过SPI接口方式分别与所述从MCU1和所述从MCU2建立通信，所述方法包括：
所述主MCU用于通过SPI接口分别向所述从MCU1和所述从MCU2发送控制报文，所述从MCU1和所述从MCU2分别用于通过SPI接口向所述主MCU发送状态报文。
上述方法中，所述控制报文的数据格式包括：插补位置位、命令数据位、使能位、清除报警位、命令字位、命令轴选择位、预留位和CRC位，请参见下表。
其中，各个数据位的作用如下：
插补位置：运动控制每62.5us运算出来的位置数据；
命令数据：存放命令对应的数据；
使能：控制伺服上下使能的标志位；
清除报警：清除伺服报警的标志位；
命令字：写伺服参数，读伺服参数，使能示波器功能，清除编码器绝对值，发送主站开始三环运算偏差时间；
命令轴选择：0指明命令字控制轴1，1指明命令字控制轴2；
预留：后续扩展用；
CRC：数据校验；
所述状态报文的数据格式包括：反馈位置位、命令数据位、轴状态位、报警号位、位置缓存区个数位、命令字位、命令轴选择位和CRC位。请参见下表。
其中，各个数据位的作用如下：
反馈位置：电机实际位置；
命令数据：根据命令字回复数据的内容；
状态：1准备好；2使能；3报警；4正常接收标志位；
报警号：具体报警号；
位置缓存区个数：表明当前轴的位置缓冲区剩余个数，让主机确定要发送多少拍位置；
命令字：同发送报文；
命令轴选择：0指明当前命令数据位轴1，1指明当前命令数据为轴2；
CRC：数据校验。
本实施例中，所述主MCU的两个输出引脚分别连接于所述从MCU1和所述从MCU2的中断引脚，所述主MCU用于分别向所述从MCU1和所述从MCU2的中断引脚发送上升沿跳变中断触发信号。
为了实现控制报文和状态报文的收发，本实施例中，请参见图2，所述主MCU发送控制报文的过程包括：
步骤S10，所述主MCU间隔62.5us产生定时中断触发；
步骤S11，所述主MCU分别接收所述从MCU1和所述从MCU2发出的上一次数据；
步骤S12，所述主MCU对其接收的数据进行校验，并在校验通过后处理所述从MCU1和所述从MCU2发出的上一次数据；
步骤S13，所述主MCU运算得出五个轴的下一周期位置数据，并以所述控制报文的形式发送至所述从MCU1和所述从MCU2。
请参见图3，所述从MCU1和所述从MCU2分别作为从站向所述主MCU发送状态报文的过程包括：
步骤S20，所述从站间隔62.5us产生定时中断触发；
步骤S21，所述从站接收所述主MCU发出的上一次数据；
步骤S22，所述从站对其接收的数据进行校验，并在校验通过后，根据命令字生成状态报文并反馈回所述主MCU；
步骤S23，所述从站对其负责的轴进行位置控制。
对于控制报文与状态报文的收发过程，本发明利用SPI的通信方式，主MCU采用发送控制报文，同步接收从站状态报文的方式来节省通信流程，每个报文总共128bit，刚好等于硬件SPI模块的缓存大小，充分利用了硬件性能。
实际应用中，主MCU和两个从MCU之间采用电流环同步策略，由于三个MCU独立工作，所以受晶振误差等各方面因素的影响，三个MCU之间的62.5us定时时间很可能会产生不同步的情况，对于一般的单轴应用场景，各MCU之间不同步也不会产生大的影响，但是对于多轴插补的应用场合，如果多MCU间可以同步处理数据，那么就能够大幅度提升控制时序的一致性，进而提升插补的绝对精度。
在此条件下，本发明就面临如下两个同步问题：
一是，如何使三个MCU的62.5us定时器接近同时产生中断；
二是，如何使三个MCU的三环处理步骤在62.5us定时中断内的固定时刻同时执行，从而保证数据处理的同步性。
对于上述两个问题，本发明采用的处理方案如下：令从MCU同步主MCU的定时周期，同时根据主MCU发送过来的处理三环数据的时间偏差，决定从MCU的三环处理数据时刻。
具体地，请参见图4，所述主MCU执行的定时周期同步步骤包括：
步骤S30，所述主MCU间隔62.5us产生定时中断触发；
步骤S31，所述主MCU的定时器清零；
步骤S32，所述主MCU分别向所述从MCU1和所述从MCU2发送低电平SYCN同步信号；
步骤S33，所述主MCU处理伺服电机三环数据，同时启动定时器进行计时；
步骤S34，所述主MCU将控制报文发送至所述从MCU1和所述从MCU2；
步骤S35，所述主MCU对其负责的伺服电机进行控制；
步骤S36，所述主MCU将SYCN同步信号置为高电平。
相应地，请参见图5，所述从MCU1和所述从MCU2执行的定时周期同步步骤包括：
线程一，当所述从MCU1和所述从MCU2接收到SYCN同步信号时，记录当前62.5us定时器的触发时间，当所述从MCU1和所述从MCU2与所述主MCU的计时偏差大于2us时，生成重新初始化定时器标识；
线程二，当所述从MCU1和所述从MCU2由62.5us定时器中断触发，则执行如下步骤：
步骤S40，定时器清零；
步骤S41，接收上次从主MCU发送过来的数据，并向主MCU获取三环控制处理开始时间；
步骤S42，计算定时器时间与所述三环控制处理开始时间的时间差值；
步骤S43，按照所述时间差值进行延时；
步骤S44，开始进行三环数据处理；
步骤S45，当所述线程一中生成重新初始化定时器标识时，按照所述计时偏差进行延时，之后重新初始化定时器。
本发明公开的基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控系统及方法，其相比现有技术而言的有益效果在于，本发明采用了一种高速通讯协议和稳定的通信硬件电路，较好地满足了运动控制系统对于大数据量的需要，也满足了三环(电流环、速度环、位置环)伺服控制的实时性要求。同时，本发明主从MCU之间采用伺服电流环同步机制，有效提升了伺服电机运行的同步性。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控系统，其特征在于，包括有主MCU、从MCU1和从MCU2，所述主MCU、所述从MCU1和所述从MCU2集成于同一PCB板上，所述主MCU通过SPI接口方式分别与所述从MCU1和所述从MCU2建立通信，所述主MCU用于通过SPI接口分别向所述从MCU1和所述从MCU2发送控制报文，所述从MCU1和所述从MCU2分别用于通过SPI接口向所述主MCU发送状态报文。
2.如权利要求1所述的基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控系统，其特征在于，所述主MCU连接于示教器，且所述主MCU与所述示教器之间通过RS485接口建立通信。
3.如权利要求1所述的基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控系统，其特征在于，所述主MCU的两个输出引脚分别连接于所述从MCU1和所述从MCU2的中断引脚，所述主MCU用于分别向所述从MCU1和所述从MCU2的中断引脚发送上升沿跳变中断信号。
4.一种基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控方法，其特征在于，该方法基于一系统实现，所述系统包括有主MCU、从MCU1和从MCU2，所述主MCU、所述从MCU1和所述从MCU2集成于同一PCB板上，所述主MCU通过SPI接口方式分别与所述从MCU1和所述从MCU2建立通信，所述方法包括：
所述主MCU用于通过SPI接口分别向所述从MCU1和所述从MCU2发送控制报文，所述从MCU1和所述从MCU2分别用于通过SPI接口向所述主MCU发送状态报文。
5.如权利要求4所述的基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控方法，其特征在于，所述控制报文的数据格式包括：插补位置位、命令数据位、使能位、清除报警位、命令字位、命令轴选择位、预留位和CRC位，所述状态报文的数据格式包括：反馈位置位、命令数据位、轴状态位、报警号位、位置缓存区个数位、命令字位、命令轴选择位和CRC位。
6.如权利要求4所述的基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控方法，其特征在于，所述主MCU的两个输出引脚分别连接于所述从MCU1和所述从MCU2的中断引脚，所述主MCU用于分别向所述从MCU1和所述从MCU2的中断引脚发送上升沿跳变中断触发信号。
7.如权利要求6所述的基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控方法，其特征在于，所述主MCU发送控制报文的过程包括：
步骤S10，所述主MCU间隔62.5us产生定时中断触发；
步骤S11，所述主MCU分别接收所述从MCU1和所述从MCU2发出的上一次数据；
步骤S12，所述主MCU对其接收的数据进行校验，并在校验通过后处理所述从MCU1和所述从MCU2发出的上一次数据；
步骤S13，所述主MCU运算得出五个轴的下一周期位置数据，并以所述控制报文的形式发送至所述从MCU1和所述从MCU2。
8.如权利要求7所述的基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控方法，其特征在于，所述从MCU1和所述从MCU2分别作为从站向所述主MCU发送状态报文的过程包括：
步骤S20，所述从站间隔62.5us产生定时中断触发；
步骤S21，所述从站接收所述主MCU发出的上一次数据；
步骤S22，所述从站对其接收的数据进行校验，并在校验通过后，根据命令字生成状态报文并反馈回所述主MCU；
步骤S23，所述从站对其负责的轴进行位置控制。
9.如权利要求8所述的基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控方法，其特征在于，所述主MCU执行的定时周期同步步骤包括：
步骤S30，所述主MCU间隔62.5us产生定时中断触发；
步骤S31，所述主MCU的定时器清零；
步骤S32，所述主MCU分别向所述从MCU1和所述从MCU2发送低电平SYCN同步信号；
步骤S33，所述主MCU处理伺服电机三环数据，同时启动定时器进行计时；
步骤S34，所述主MCU将控制报文发送至所述从MCU1和所述从MCU2；
步骤S35，所述主MCU对其负责的伺服电机进行控制；
步骤S36，所述主MCU将SYCN同步信号置为高电平。
10.如权利要求9所述的基于内部通信的多芯片五轴伺服驱控方法，其特征在于，所述从MCU1和所述从MCU2执行的定时周期同步步骤包括：
线程一，当所述从MCU1和所述从MCU2接收到SYCN同步信号时，记录当前62.5us定时器的触发时间，当所述从MCU1和所述从MCU2与所述主MCU的计时偏差大于2us时，生成重新初始化定时器标识；
线程二，当所述从MCU1和所述从MCU2由62.5us定时器中断触发，则执行如下步骤：
步骤S40，定时器清零；
步骤S41，接收上次从主MCU发送过来的数据，并向主MCU获取三环控制处理开始时间；
步骤S42，计算定时器时间与所述三环控制处理开始时间的时间差值；
步骤S43，按照所述时间差值进行延时；
步骤S44，开始进行三环数据处理；
步骤S45，当所述线程一中生成重新初始化定时器标识时，按照所述计时偏差进行延时，之后重新初始化定时器。
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